Bakanlığı, ordu #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Topu Devlet Üniversitesi 2010 ASPiRE grant.

<ol><li>Brukner, P., Bennell, K., Matheson, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBrukner%2C+P+%22Stress+fracture%22">Stress fracture</a>. , Blackwell Science. Victoria, Australia. (1999).</li>
<li>Zadpoor, A., Nikooyan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+between+lower-extremity+stress+fractures+and+the+ground+reaction+force%3A+A+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Biomech%22%5BJournal%5D)">The relationship between lower-extremity stress fractures and the ground reaction force: A systematic review.</a> Clin Biomech. 26, 23-28 (2011).</li>
<li>Matheson, G. O., Clement, D. B., McKenzie, D. C., Taunton, J. E., Lioyd-Smith, D. R., Maclntyre, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+fractures+in+athletes.+A+study+of+320+cases%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Sports+Med%22%5BJournal%5D)">Stress fractures in athletes. A study of 320 cases.</a> Am J Sports Med. 15, 46-58 (1987).</li>
<li>Bennell, K., Grimston, S. Risk factors for developing stress fractures. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBennell%2C+K+%22Musculoskeletal+fatigue+and+stress+fractures%22">Musculoskeletal fatigue and stress fractures</a>. Burr, D., Milgrom, C. , CRC Press. New York. 15-33 (2001).</li>
<li>Milgrom, C., Giladi, M., Stein, M., Kashtan, H., Margulies, J. Y., Chisin, R., Stenberg, R., Aharonson, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+fractures+in+military+recruits.+A+prospective+study+showing+an+unusually+high+incidence%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Joint+Surg+Br%22%5BJournal%5D)">Stress fractures in military recruits. A prospective study showing an unusually high incidence.</a> J Bone Joint Surg Br. 67, 732-735 (1985).</li>
<li>Almeida, S. A., Williams, K. M., Shaffer, R. A., Brodine, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidemiological+patterns+of+musculoskeletal+injuries+and+physical+training%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Sci+Sports+Exerc%22%5BJournal%5D)">Epidemiological patterns of musculoskeletal injuries and physical training.</a> Med Sci Sports Exerc. 31, 1176-1182 (1999).</li>
<li>Jones, B. H., Knapik, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+training+and+exercise-related+injuries%2C+surveillance%2C+research+and+injury+prevention+in+military+populations%5BTitle%5D)+AND+%22Sports+Med%22%5BJournal%5D)">Physical training and exercise-related injuries, surveillance, research and injury prevention in military populations.</a> Sports Med. 27, 111-125 (1999).</li>
<li>Jones, B. H., Thacker, S., Gilchrist, J., Kimsey, C. D., Sosin, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prevention+of+lower+extremity+stress+fractures+in+athletes+and+soldiers%3A+a+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Epidemiol+Rev%22%5BJournal%5D)">Prevention of lower extremity stress fractures in athletes and soldiers: a systematic review.</a> Epidemiol Rev. 24, 228-247 (2002).</li>
<li>Voloshin, A., Wosk, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+in+vivo+study+of+low+back+pain+and+shock+absorption+in+the+human+locomotor+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">An in vivo study of low back pain and shock absorption in the human locomotor system.</a> J Biomech. 15, 21-27 (1982).</li>
<li>Burr, D. B., Milgrom, C., Fyhrie, D., Forwood, M., Nyska, M., Finestone, A., Hoshaw, S., Saiag, E., Simkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+measurement+of+human+tibial+strains+during+vigorous+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">In vivo measurement of human tibial strains during vigorous activity.</a> Bone. 18, 405-410 (1996).</li>
<li>Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Fellander-Tsai, L., Rolf, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+reliability+and+validity+of+an+instrumented+staple+system+for+in+vivo+measurement+of+local+bone+deformation.+An+in+vitro+study%5BTitle%5D)+AND+%22Scand+J+Med+Sci+Sports%22%5BJournal%5D)">The reliability and validity of an instrumented staple system for in vivo measurement of local bone deformation. An in vitro study.</a> Scand J Med Sci Sports. 8, 172-176 (1998).</li>
<li>Lanyon, L. E., Hampson, W. G., Goodship, A. E., Shah, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bone+deformation+recorded+in+vivo+from+strain+gauges+attached+to+the+human+tibial+shaft%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Orthop+Scand%22%5BJournal%5D)">Bone deformation recorded in vivo from strain gauges attached to the human tibial shaft.</a> Acta Orthop Scand. 46, 256-268 (1975).</li>
<li>Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Tsai, L. F., Rolf, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+bone+deformation+at+two+predominant+sites+for+stress+fractures+of+the+tibia%3A+an+in+vivo+study%5BTitle%5D)+AND+%22Foot+Ankle+Int%22%5BJournal%5D)">Local bone deformation at two predominant sites for stress fractures of the tibia: an in vivo study.</a> Foot Ankle Int. 19, 479-484 (1998).</li>
<li>Milgrom, C., Finestone, A., Levi, Y., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Benjuya, N., Burr, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+high+impact+exercises+produce+higher+tibial+strains+than+running%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Br+J+Sports+Med%22%5BJournal%5D)">Do high impact exercises produce higher tibial strains than running?</a> Br J Sports Med. 34, 195-199 (2000).</li>
<li>Milgrom, C., Finestone, A., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Larsson, E., Burr, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-vivo+strain+measurements+to+evaluate+the+strengthening+potential+of+exercises+on+the+tibial+bone%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Joint+Surg+Br%22%5BJournal%5D)">In-vivo strain measurements to evaluate the strengthening potential of exercises on the tibial bone.</a> J Bone Joint Surg Br. 82, 591-594 (2000).</li>
<li>Al Nazer, R., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+multibody+simulation+approach+in+the+analysis+of+tibial+strain+during+walking%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Flexible multibody simulation approach in the analysis of tibial strain during walking.</a> J Biomech. 41, 1036-1043 (2008).</li>
<li>Al Nazer, R., Klodowski, A., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21302163">A full body musculoskeletal model based on flexible multibody simulation approach utilised in bone strain analysis during human locomotion.</a> Comput Method Biomec. 14, 573-579 (2011).</li>
<li>Johnson, M. A., Moradi, M. H., Crowe, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJohnson%2C+MA+%22PID+control%3A+new+identification+and+design+methods%22">PID control: new identification and design methods</a>. , Springer. New York. 543(2005).</li>
<li>Craig, R. R., Bampton, M. C. C. <a target="_blank" href="https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/3.4741">Coupling of substructures for dynamics analysis.</a> American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. 6, 1313-1319 (1968).</li>
<li>Wasfy, T. M., Noor, A. K. <a target="_blank" href="http://appliedmechanicsreviews.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1397819">Computational strategies for flexible multibody systems.</a> Appl Mech Rev. 56, 553-613 (2003).</li>
<li>Kadaba, M. P., Ramakrishnan, H. k, Wootten, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+lower+extremity+kinematics+during+level+walking%5BTitle%5D)+AND+%22J+Orthop+Res%22%5BJournal%5D)">Measurement of lower extremity kinematics during level walking.</a> J Orthop Res. 8, 383-392 (1990).</li>
<li>Schwartz, M. H., Rozumalski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+method+for+estimating+joint+parameters+from+motion+data%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">A new method for estimating joint parameters from motion data.</a> J Biomech. 38, 107-116 (2005).</li>
<li>Devita, P., Skelly, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+landing+stiffness+on+joint+kenetics+and+energetic+in+the+lower+extremity%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Sci+Sports+Exerc%22%5BJournal%5D)">Effect of landing stiffness on joint kenetics and energetic in the lower extremity.</a> Med Sci Sports Exerc. 24, 108-115 (1992).</li>
<li>Dong, X. N., Guo, X. E. <a target="_blank" href="http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.467.4983&rep=rep1&type=pdf">The dependence of transversely isotropic elasticity of human femoral cortical bone on porosity.</a> J Biomech. 37, 1281-1287 (2004).</li>
<li>Schileo, E., Taddei, F., Malandrino, A., Cristofolini, L., Viceconti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subject-specific+finite+element+models+can+accurately+predict+strain+levels+in+long+bones%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Subject-specific finite element models can accurately predict strain levels in long bones.</a> J Biomech. 40, 2982-2989 (2007).</li>
<li>Pattin, C. A., Caler, W. E., Carter, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cyclic+mechanical+property+degradation+during+fatigue+loading+of+cortical+bone%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Cyclic mechanical property degradation during fatigue loading of cortical bone.</a> J Biomech. 29, 69-79 (1996).</li>
<li>Lifemodeler, I. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLifemodeler%2C+I+%22Lifemod+Manual%22">Lifemod Manual</a>. , Lifemodeler Inc. San Clemente, CA. (2010).</li>
</ol>

Yazarlar onlar rakip hiçbir mali çıkarları var bildirin.

Bu çalışmada tibia deformasyon yüksek darbe etkinlikleri sırasında belirlemek için non-invaziv bir yöntem geliştirmekti. Tibia zorlanma nedeniyle etkisi yükleme miktarının daha iyi tibia stres kırığı anlamak için yol açacaktır. Bu çalışmada bir konuya özgü kas-iskelet modeli geliştirilmiştir ve bilgisayar simülasyonları bir laboratuvar ortamında gerçekleştirilen damla-Açılış hareketleri çoğaltmak için işletilmiştir. Tibial zorlanma damla-açılış yükseklik etkisi incelenmiştir....

Kemik stres, stres kırıkları gibi uzun süre kurtarma gerektiren ve önemli tıbbi maliyet1,2üstlenmeden şiddetli aşırı yaralanmaları yaralar. Stres kırıkları ortak atletik ve askeri nüfus her ikisi de. Arasında tüm spor yaralanmaları, stres kırıkları hesap için toplam3yüzde 10'u ile ilgili. Özellikle, sporcular yüzü daha yüksek bir yaralanma oranı % 204izlemek. Askerler de stres kırıkları yüksek orandaki deneyim. Örneğin, %6 yaralanma oranı için ABD Ordusu1 bildirildi ve % 31 yaralanma oranı İsrail Ordusu5' te bildirildi. Tüm bildirilen stres kırıkları arasında tibia stres kırığı en yaygın bir6,7,8' dir.
Spor ve fiziksel eğitimler tibia stres kırığı daha yüksek bir risk ile normalde yüksek zemin etkileri (örneğin, atlama, açılış ve kesme) ile ilişkilidir. Ayak yere kurduğunda hareket sırasında vücut için bir yere darbe kuvveti uygulanır. Bu darbe kuvveti kas-iskelet sistemi ve ayakkabı tarafından harcanmış. İskelet sistemi kolları kas Kuvvetleri zemin etkisi9emmek için uygulamak izin veren bir dizi olarak hizmet vermektedir. Bacak kasları yeterli zemin etkisi azaltmak olamaz zaman, alt-vücut kemikleri kalan gücü absorbe gerekir. Kemik yapısı bu işlemi sırasında deformasyon yaşayacaksınız. Artık darbe kuvveti tekrarlayan emilimini birikir ve stres kırıkları haline kemik microdamages içinde neden olabilir. Bugüne kadar kemik için ilgili bilgiler dış kara etkisi Kuvvetleri tepki sınırlıdır. Tibia kemik dinamik hareketleri sırasında yüksek etki güçleri tarafından tanıtılan mekanik yük nasıl yanıt vereceğini çalışma önemlidir. Tibia kemik deformasyonu yüksek darbe etkinlikleri sırasında inceleyerek tibia stres kırığı mekanizmasının daha iyi anlamak için neden olabilir.
Kemik deformasyonu vivo ölçmek için kullanılan geleneksel teknikleri Araçlı gerilim ölçerler10,11,12,13,14,15tarihinde güveniyor. Cerrahi işlemler kemik yüzeyindeki gerginlik ölçme implant için ihtiyaç vardır. İnvaziv doğası nedeniyle, in vivo çalışmalar gönüllü küçük bir örnek ile sınırlıdır. Buna ek olarak, ağırlık ölçme esneklik detektörler sadece kemik yüzeyine küçük bir bölgenin izleyebilirsiniz. Son zamanlarda, non-invaziv bir yöntem kemik zorlanma çözümlemek için bilgisayar simülasyonu kullanan tanıtılan16,17yaşındaydım. Bu metodoloji insan hareketi sırasında kemik suşu çalışmaya kas-iskelet modelleme ve bilgisayar simülasyonları birleştirme olanağını sağlar.
Bir kas-iskelet modeli bir iskelet ve iskelet kasları tarafından temsil edilir. İskelet rijit veya deforme olmayan organları olan kemik parçadan oluşur. İskelet kasları ilerici-integral-türev (PID) algoritması kullanılarak denetleyicileri olarak modellenmiştir. Üç dönemlik PID kontrol hataları tahmininde çıkış doğruluğu18geliştirmek için kullanır. Özünde, PID denetleyicileri kasları temsil eden kasların uzunluğu değişiklikler zamanla üretmek için gerekli kuvvetler geliştirerek vücut hareketleri oluşturmaya çalışın. PID denetleyicisi hata uzunluğu/saat tonundaki hareketi çoğaltılması için kuvvet değiştirmek için kullanır. Bu simülasyon işlemi tüm kas iskelet hareket ve vücut hareketleri üretmek amacıyla birlikte çalışmak için koordine etmek için uygun bir çözüm oluşturur.
İskelet kas-iskelet modeli bir veya daha fazla segmentlerinde deformasyon ölçümü izin vermek için esnek organları modellenebilir. Örneğin, tibia kemik öğeleri ve düğümleri binlerce oluşan bir sonlu sayıda öğe, bölünebilir. Esnek tibia mekanik yükleme etkisi Sonlu elemanlar (FE) analizi ile incelenebilir. FE analiz tek tek öğeleri yükleme tepki zaman içinde hesaplar. Kemik öğeleri ve düğümleri artış sayısı olarak, FE analizin hesaplama saat önemli ölçüde artacaktır.
Esnek organları deformasyon doğru değerlendirilmesi ile Hesaplamalı maliyetini azaltmak için kalıcı FE analiz geliştirilmiş ve içinde otomotiv ve Havacılık ve uzay sanayi19,20kullanılır. Bireysel FE elements yanıt zaman etki alanındaki mekanik yük için analiz yerine, bu yordamı farklı titreşim frekansları frekans etki alanındaki temel nesnenin mekanik yanıt değerlendiriyor. Bu yöntem deformasyon20doğru ölçüm sağlarken hesaplama zaman önemli bir azalma olur. Her ne kadar kalıcı FE analizi yaygın mekanik yorgunluk otomotiv ve Havacılık alanlarında eğitim için kullanılmıştır, bu yöntemin uygulama çok sınırlı olmuştur insan hareketi bilim. Al Nazer vd., insan yürüyüş sırasında tibial deformasyon incelemek için kalıcı bir FE analiz kullanılan ve sonuçları16,17teşvik bildirdi. Ancak, bu yöntem büyük ölçüde bilgisayar simülasyonları sürücü için sadece bir deney sınırlı kinematik verileri kullanarak etkilendi; Gerçek olduğunu zemin simülasyonlar yardımcı olmak için kullanılan etki güçleri. Bu yaklaşım yürüyüş gibi düşük etkisi yavaş hareketleri eğitimi için makul olabilir ama bu yüksek zemin etkisi hareketleri çalışmaya uygun bir çözüm değil. Böylece, dinamik yüksek darbe faaliyetleri sırasında alt vücut kemik reaksiyonları incelemek için daha önce bildirilen yöntemiyle ilişkili sınırlamaları gidermek için yenilikçi bir yaklaşım geliştirmek esastır. Özellikle, bir yöntem kullanmak doğru deneysel kinematik veri ve gerçek kara etkisi Kuvvetleri geliştirilen gerekir. Bu nedenle, bu çalışmanın amacı multibody dinamik simülasyonlar tibial zorlanma yüksek darbe faaliyetleri sırasında incelemek için kalıcı FE analizi ile gerçekleştirmek için bir konuya özgü kas-iskelet modeli geliştirmekti. Damla-iniş tarafından farklı yükseklikte temsil bir dinamik yüksek darbe hareketi yöntemini sınamanızı sağlamak üzere seçildi.

<table><tbody><tr><td>CT Scanner</td><td>GE Medical System</td><td>N/A</td><td>Light Speed VCT. For performing tibia CT scan.</td></tr><tr><td>Motion Capture System</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>Vicon FX40 high speed cameras. For performing 3D motion capture.</td></tr><tr><td>Force plates</td><td>AMTI Inc</td><td>N/A</td><td>Collecting 3D ground reaction forces</td></tr><tr><td>Vicon Nexus</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>Motion capture software program. For processing visual marker trajectory data.</td></tr><tr><td>Visual 3D</td><td>C-Motion Inc</td><td>N/A</td><td>Biomechanics analysis software. For computing 3D kinematics and kinetics of human movements.</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks Inc</td><td>N/A</td><td>Computer programming software. For performing raw data filtering, data conversion, and data processing.</td></tr><tr><td>ADAMS 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A</td><td>Multibody dynamic computer simulation program.</td></tr><tr><td>LifeMOD</td><td>Lifemodeler Inc</td><td>N/A</td><td>A software Plug-in in ADAMS. For building human body musculo-skeletal models.</td></tr><tr><td>MIMICS 13</td><td>Materialise Inc</td><td>N/A</td><td>Image processing program. A 3D modeling tool to process imaging data. For creating 3D tibia model from CT scans.</td></tr><tr><td>MARC 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A</td><td>Finite element analysis software. For performing volumn meshing, generating tibia FE model, and running modal FE analysis.</td></tr><tr><td>SPSS 19</td><td>IBM Inc</td><td>N/A</td><td>Statistical analysis software.</td></tr></tbody></table>

subject-specific musculoskeletal model for studying bone strain during dynamic motion

Kemik stres kırıklarının spor ve askeri eğitimleri yaygındır. Tekrarlayan büyük kara etkisi Kuvvetleri eğitim sırasında neden olabilir. Kemik stres yaralanma mekanizmaları daha iyi anlamak için alt-vücut kemik deformasyon üzerinde yüksek zemin etkisi etkisini zorlar belirlemek için önemlidir. Geleneksel ağırlık ölçme esneklik detektörler ölçüm içinde vivo tibia deformasyon çalışma kullanılmaya başlanmıştır. Bu yöntem invasiveness yordam, kaç insan denekler ve küçük kemik yüzey alanları sınırlı zorlanma verileri katılımı da dahil olmak üzere sınırlamalar ile ilişkilidir. Çalışmada tibia kemik baskı koşulları yükleme yüksek etki altında çalışmaya yeni bir yaklaşımın tanıtmak niyetinde. Bir konuya özgü kas-iskelet modeli sağlıklı erkek (19 yıl, 80 kg, 1800 mm) temsil etmek için oluşturuldu. Esnek Sonlu elemanlar tibia modeli bir bilgisayarlı tomografi (CT) inceden inceye gözden geçirmek konunun doğru Tibia üzerinde tabanlı oluşturuldu. Laboratuvar hareket yakalama damla-iniş kinematik ve zemin tepki kuvvetlerinin farklı yükseklikte (26, 39, 52 cm) elde etmek için gerçekleştirildi. Esnek tibia kalıcı bir analizi ile kombine multibody dinamik bilgisayar simülasyonları tibia zorlanma damla-iniş sırasında ölçmek için yapıldı. Hesaplanan tibia zorlanma veri önceki in vivo çalışmalar ile iyi anlaşma vardı. Non-invaziv bu yaklaşım daha iyi tibia stres kırıkları yaralanma mekanizmasının anlaşılması için yol açacak büyük bir kohort için yüksek darbe faaliyetleri sırasında tibia kemik suşu çalışmaya uygulanabilir belirgindir.

Çalışma için gönüllü oldum bir sağlıklı kafkas erkek (19 yaş, yükseklik 1.800 mm, kitle 80 kg). Veri toplama önce konu incelendi ve çalışmaya katılan önce üniversite kurumsal inceleme Kurulu tarafından onaylanan izin formu imzaladı. Helsinki Bildirgesi altında yapılan. Deneme temel alınarak aşağıdaki protokol gerçekleştirildi.
İleri dinamik simülasyon doğruluğunu denetlemek için alt-vücut simü...

Watch this Scientific Journal Video about Subject-specific Musculoskeletal Model for Studying Bone Strain During Dynamic Motion at JoVE.com

Dinamik Hareket Sırasında Kemik Gerilmelerinin İncelenmesi için Konuya Özel Kas-İskelet Modeli | Biyomühendislik | Video

Subject-specific Musculoskeletal Model for Studying Bone Strain During Dynamic Motion

İniş sırasında alt vücut kemikleri büyük mekanik yükler deneyim ve deforme. Etkileri ile ilişkili kemik stres yaralanma mekanizmaları daha iyi anlamak için kemik deformasyonu ölçmek için önemlidir. Konuya özgü kas-iskelet modelleme ve Sonlu elemanlar analizi entegre yeni bir yaklaşımın tibial zorlanma sırasında dinamik hareketleri ölçmek için kullanılır.

Konuya özgü kas-iskelet modeli kemik zorlanma sırasında dinamik hareket eğitimi

Bone stress injuries are common in sports and military trainings. Repetitive large ground impact forces during training could be the cause. It is ...

subject-specific-musculoskeletal-model-for-studying-bone-strain

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Bioengineering

Biology

Mechanical Engineering

Human Biology

Unit 1

Transformations of Stress and Strain

Musculoskeletal System

SCIENTISTS IN ACTION

9.7K Görüntüleme.  Ball State University. İniş sırasında alt vücut kemikleri büyük mekanik yükler deneyim ve deforme. Etkileri ile ilişkili kemik stres yaralanma mekanizmaları daha iyi anlamak için kemik deformasyonu ölçmek için önemlidir. Konuya özgü kas-iskelet modelleme ve Sonlu elemanlar analizi entegre yeni bir yaklaşımın tibial zorlanma sırasında dinamik hareketleri ölçmek için kullanılır.

Video: Subject-specific Musculoskeletal Model for Studying Bone Strain During Dynamic Motion

A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. brain, liver, tendon, fat, etc.) when exposed to high strain rates. This study utilized a Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) to generate strain rates of 100-1,500 sec-1. The SHPB employed a striker bar consisting of a viscoelastic material (polycarbonate). A sample of the biomaterial was obtained shortly postmortem and prepared for SHPB testing. The specimen was interposed between the incident and transmitted bars, and the pneumatic components of the SHPB were activated to drive the striker bar toward the incident bar. The resulting impact generated a compressive stress wave (i.e. incident wave) that traveled through the incident bar. When the compressive stress wave reached the end of the incident bar, a portion continued forward through the sample and transmitted bar (i.e. transmitted wave) while another portion reversed through the incident bar as a tensile wave (i.e. reflected wave). These waves were measured using strain gages mounted on the incident and transmitted bars. The true stress-strain behavior of the sample was determined from equations based on wave propagation and dynamic force equilibrium. The experimental stress-strain response was three dimensional in nature because the specimen bulged. As such, the hydrostatic stress (first invariant) was used to generate the stress-strain response. In order to extract the uniaxial (one-dimensional) mechanical response of the tissue, an iterative coupled optimization was performed using experimental results and Finite Element Analysis (FEA), which contained an Internal State Variable (ISV) material model used for the tissue. The ISV material model used in the FE simulations of the experimental setup was iteratively calibrated (i.e. optimized) to the experimental data such that the experiment and FEA strain gage values and first invariant of stresses were in good agreement.

The current study prescribes a coupled experiment-finite element simulation methodology to obtain the uniaxial dynamic mechanical response of soft biomaterials (brain, liver, tendon, fat, etc.). The multiaxial experimental results that arose because of specimen bulging obtained from Split-Hopkinson Pressure Bar testing were rendered to a uniaxial true stress-strain behavior when simulated through iterative optimization of the finite element analysis of the biomaterial.

Yumuşak Biyomalzeme Yüksek Deformasyon Hızı Mekanik Tepki değerlendirilmesi için Coupled Deney-sonlu Eleman Modelleme Metodolojisi

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. ...

Biyomühendislik

A Method to Estimate Cadaveric Femur Cortical Strains During Fracture Testing Using Digital Image Correlation

This protocol describes the method using digital image correlation to estimate cortical strain from high speed video images of the cadaveric femoral surface obtained from mechanical testing. This optical method requires a texture of many contrasting fiduciary marks on a solid white background for accurate tracking of surface deformation as loading is applied to the specimen. Immediately prior to testing, the surface of interest in the camera view is painted with a water-based white primer and allowed to dry for several minutes. Then, a black paint is speckled carefully over the white background with special consideration for the even size and shape of the droplets. Illumination is carefully designed and set such that there is optimal contrast of these marks while minimizing reflections through the use of filters. Images were obtained through high speed video capture at up to 12,000 frames/s. The key images prior to and including the fracture event are extracted and deformations are estimated between successive frames in carefully sized interrogation windows over a specified region of interest. These deformations are then used to compute surface strain temporally during the fracture test. The strain data is very useful for identifying fracture initiation within the femur, and for eventual validation of proximal femur fracture strength models derived from Quantitative Computed Tomography-based Finite Element Analysis (QCT/FEA).

In this protocol, the femur surface strains are estimated during fracture testing using the digital image correlation technique. The novelty of the method involves application of a high-contrast stochastic speckle pattern on the femur surface, carefully specified illumination, high speed video capture, and digital image correlation analysis for strain calculations.

Kadavra Femur kortikal suşları kullanarak dijital görüntü korelasyon test kırık sırasında tahmin etmek için bir yöntem

This protocol describes the method using digital image correlation to estimate cortical strain from high speed video images of the cadaveric femoral ...

Biplanar Videoradiography Dataset for Model-based Pose Estimation Development and New User Training

Measuring the motion of the small foot bones is critical for understanding pathological loss of function. Biplanar videoradiography is well-suited to measure in vivo bone motion, but challenges arise when estimating the rotation and translation (pose) of each bone. The bone's pose is typically estimated with marker- or model-based methods. Marker-based methods are highly accurate but uncommon in vivo due to their invasiveness. Model-based methods are more common but are currently less accurate as they rely on user input and lab-specific algorithms. This work presents a rare in vivo dataset of the calcaneus, talus, and tibia poses, as measured with marker-based methods during running and hopping. A method is included to train users to improve their initial guesses into model-based pose estimation software, using marker-based visual feedback. New operators were able to estimate bone poses within 2&#176; of rotation and 1 mm of translation of the marker-based pose, similar to an expert user of the model-based software, and representing a substantial improvement over previously reported inter-operator variability. Further, this dataset can be used to validate other model-based pose estimation software. Ultimately, sharing this dataset will improve the speed and accuracy with which users can measure bone poses from biplanar videoradiography.

<meta charset="utf8"></head><body>Model Tabanlı Poz Tahmini Geliştirme ve Yeni Kullanıcı Eğitimi için Biplanar Videoradyografi Veri Seti

This work presents an in vivo dataset with bone poses estimated with marker-based methods. A method is included here to train operators in improving their initial estimates for model-based pose estimation and reducing inter-operator variability.

Model Tabanlı Poz Tahmini Geliştirme ve Yeni Kullanıcı Eğitimi için Biplanar Videoradyografi Veri Seti

Measuring the motion of the small foot bones is critical for understanding pathological loss of function. Biplanar videoradiography is well-suited to ...

Mühendislik

Imaging of the Microstructural Failure Mechanism in the Human Hip

Imaging the bone microstructure under progressively increasing loads allows for observing the microstructural failure behavior of bone. Here, we describe a protocol for obtaining a sequence of three-dimensional microstructural images of the entire proximal femur under progressively increasing deformation, causing clinically relevant fractures of the femoral neck. The protocol is demonstrated using four femora from female donors aged 66-80 years at the lower end of bone mineral density in the population (T-score range = &#8722;2.09 to &#8722;4.75). A radio-transparent compressive stage was designed for loading the specimens replicating a one-leg stance, while recording the applied load during&#160;micro-computed tomography (micro-CT) imaging. The field of view was 146 mm wide and 132 mm high, and the isotropic pixel size was 0.03 mm. The force increment was based on finite-element predictions of the fracture load. The compressive stage was used to apply the displacement to the specimen and enact the prescribed force increments. Sub-capital fractures due to opening and shear of the femoral neck occurred after four to five load increments. The micro-CT&#160;images and the reaction force measurements were processed to study the bone strain and energy absorption capacity. Instability of the cortex appeared at the early loading steps. The subchondral bone in the femoral head displayed large deformations reaching 16% before&#160;fracture, and a progressive increase in the support capacity up to&#160;fracture. The deformation energy linearly increased with the displacement up to&#160;fracture, while the stiffness decreased to near-zero values immediately before&#160;fracture. Three-fourths of the fracture energy was taken by the specimen during the final 25% force increment. In conclusion, the protocol developed revealed a remarkable energy absorption capacity, or damage tolerance, and a synergic interaction between the cortical and trabecular bone at an advanced donor age.

The protocol enables the measurement of the deformation of the bone microstructure in the entire proximal human femur and its toughness by combining large-volume micro-CT scanning, a custom-made compressive stage, and advanced image processing tools.

İnsan Kalçasındaki Mikroyapısal Başarısızlık Mekanizmasının Görüntülenmesi

Imaging the bone microstructure under progressively increasing loads allows for observing the microstructural failure behavior of bone. Here, we describe ...

Four-Dimensional CT Analysis Using Sequential 3D-3D Registration

Four-dimensional computed tomography (4DCT) provides a series of volume data and visualizes joint motions. However, numerical analysis of 4DCT data remains difficult because segmentation in all volumetric frames is time-consuming. We aimed to analyze joint kinematics using a sequential 3D-3D registration technique to provide the kinematics of the moving bone with respect to the fixed bone semiautomatically using 4DCT DICOM data and existing software. Surface data of the source bones are reconstructed from 3DCT. The trimmed surface data are respectively matched with surface data from the first frame in 4DCT. These trimmed surfaces are sequentially matched until the last frame. These processes provide positional information for target bones in all frames of the 4DCT. Once the coordinate systems of the target bones are decided, translation and rotation angles between any two bones can be calculated. This 4DCT analysis offers advantages in kinematic analyses of complex structures such as carpal or tarsal bones. However, fast or large-scale motions cannot be traced because of motion artifacts.

We analyzed joint kinematics from four-dimensional computed tomography data. The sequential 3D-3D registration method semiautomatically provides the kinematics of the moving bone with respect to the subject bone from four-dimensional computed tomography data.

Sıralı 3D-3D Kaydı Nı Kullanarak Dört Boyutlu CT Analizi

Four-dimensional computed tomography (4DCT) provides a series of volume data and visualizes joint motions. However, numerical analysis of 4DCT data ...

Biomechanical Testing of Murine Tendons

Tendon disorders are common, affect people of all ages, and are often debilitating. Standard treatments, such as anti-inflammatory drugs, rehabilitation, and surgical repair, often fail. In order to define tendon function and demonstrate efficacy of new treatments, the mechanical properties of tendons from animal models must be accurately determined. Murine animal models are now widely used to study tendon disorders and evaluate novel treatments for tendinopathies; however, determining the mechanical properties of mouse tendons has been challenging. In this study, a new system was developed for tendon mechanical testing that includes 3D-printed fixtures that exactly match the anatomies of the humerus and calcaneus to mechanically test supraspinatus tendons and Achilles tendons, respectively. These fixtures were developed using 3D reconstructions of native bone anatomy, solid modeling, and additive manufacturing. The new approach eliminated artifactual gripping failures (e.g., failure at the growth plate failure rather than in the tendon), decreased overall testing time, and increased reproducibility. Furthermore, this new method is readily adaptable for testing other murine tendons and tendons from other animals.

The protocol describes efficient and reproducible tensile biomechanical testing methods for murine tendons through the use of custom-fit 3D printed fixtures.

Murine Tendonunun Biyomekanik Testi

Tendon disorders are common, affect people of all ages, and are often debilitating. Standard treatments, such as anti-inflammatory drugs, rehabilitation, ...

A Minimally Invasive Model to Analyze Endochondral Fracture Healing in Mice Under Standardized Biomechanical Conditions

Bone healing models are necessary to analyze the complex mechanisms of fracture healing to improve clinical fracture treatment. During the last decade, an increased use of mouse models in orthopedic research was noted, most probably because mouse models offer a large number of genetically-modified strains and special antibodies for the analysis of molecular mechanisms of fracture healing. To control the biomechanical conditions, well-characterized osteosynthesis techniques are mandatory, also in mice. Here, we report on the design and use of a closed bone healing model to stabilize femur fractures in mice. The intramedullary screw, made of medical-grade stainless steel, provides through fracture compression an axial and rotational stability compared to the mostly used simple intramedullary pins, which show a complete lack of axial and rotational stability. The stability achieved by the intramedullary screw allows the analysis of endochondral healing. A large amount of callus tissue, received after stabilization with the screw, offers ideal conditions to harvest tissue for biochemical and molecular analyses. A further advantage of the use of the screw is the fact that the screw can be inserted into the femur with a minimally invasive technique without inducing damage to the soft tissue. In conclusion, the screw is a unique implant that can ideally be used in closed fracture healing models offering standardized biomechanical conditions.

This protocol describes a minimally invasive osteosynthesis technique using an intramedullary screw for standardized stabilization of femur fractures, which can be used to analyze endochondral bone healing in mice.

Endochondral standart biyomekanik koşullar altında farelerde şifa kırık çözümlemek için minimal invaziv bir Model

Bone healing models are necessary to analyze the complex mechanisms of fracture healing to improve clinical fracture treatment. During the last decade, an ...

Tıp

Kemik Kırığı Duyarlılığı için Mekanik Test Prensipleri ve Protokolleri

Practical Considerations for the Design, Execution, and Interpretation of Studies Involving Whole-Bone Bending Tests of Rodent Bones

Skeletal fragility leading to fracture is an American public health crisis resulting in 1.5 million fractures each year and $18 billion in direct care costs. The ability to understand the mechanisms underlying bone disease and the response to treatment is not only desired, but critical. Mechanical testing of bone serves as a valuable technique for understanding and quantifying a bone&#39;s susceptibility to fracture. While this method appears simple to perform, inappropriate and inaccurate conclusions may be reached if governing assumptions and key steps are disregarded by the user. This has been observed across disciplines as studies continue to be published with misuse of methods and incorrect interpretation of results. This protocol will serve as a primer for the principles associated with mechanical testing along with the application of these techniques-from considerations of sample size through tissue harvesting and storage, to data analysis and interpretation. With this in hand, valuable information regarding a bone&#39;s susceptibility to fracture may be obtained, furthering understanding for both academic research and clinical solutions.

Yazar Spotlight: Tüm Kemik Bükme Testlerinde Doğruluğu ve Tekrarlanabilirliği Artırma 

Mechanical testing of rodent bones is a valuable method for extracting information regarding a bone's susceptibility to fracture. Lacking proper practical understanding, the results may be overinterpreted or lack validity. This protocol will serve as a guide to ensure mechanical tests are performed accurately to provide valid and functional data.

Kemirgen kemiklerinin tüm kemik bükme testlerini içeren çalışmaların tasarımı, yürütülmesi ve yorumlanması için pratik hususlar

Skeletal fragility leading to fracture is an American public health crisis resulting in 1.5 million fractures each year and $18 billion in direct care ...

Konuya özgü kas-iskelet modeli kemik zorlanma sırasında dinamik hareket eğitimi

Özet

Daha Fazla Video Keşfet

Yumuşak Biyomalzeme Yüksek Deformasyon Hızı Mekanik Tepki değerlendirilmesi için Coupled Deney-sonlu Eleman Modelleme Metodolojisi

Kadavra Femur kortikal suşları kullanarak dijital görüntü korelasyon test kırık sırasında tahmin etmek için bir yöntem

Model Tabanlı Poz Tahmini Geliştirme ve Yeni Kullanıcı Eğitimi için Biplanar Videoradyografi Veri Seti

Model Tabanlı Poz Tahmini Geliştirme ve Yeni Kullanıcı Eğitimi için Biplanar Videoradyografi Veri Seti

İnsan Kalçasındaki Mikroyapısal Başarısızlık Mekanizmasının Görüntülenmesi

Sıralı 3D-3D Kaydı Nı Kullanarak Dört Boyutlu CT Analizi

Murine Tendonunun Biyomekanik Testi

Endochondral standart biyomekanik koşullar altında farelerde şifa kırık çözümlemek için minimal invaziv bir Model

Kemirgen kemiklerinin tüm kemik bükme testlerini içeren çalışmaların tasarımı, yürütülmesi ve yorumlanması için pratik hususlar

Kemirgen kemiklerinin tüm kemik bükme testlerini içeren çalışmaların tasarımı, yürütülmesi ve yorumlanması için pratik hususlar